CO 2 - Einsparung durch innovative Energietechnik in Gebäuden

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1 CO 2 - Einsparung durch innovative Energietechnik in Gebäuden Erfahrungsaustausch zur organisatorischen Neuausrichtung der Betriebsüberwachung im Bundesamt für Bauwesen und Raumordnung Prof. Dr.-Ing. Markus Brautsch Techn. Thermodynamik / Technikfolgenabschätzung / Energietechnik Fachhochschule Amberg-Weiden Kaiser-Wilhelm-Ring Amberg m.brautsch@fh-amberg-weiden.de 1) Einführung 2) Unverestertes Pflanzenöl als Kraftstoff in BHKW-Systemen 3) Der Aufbau und die Funktionsweise von BHKW-Systemen 4) Motorische Modifikations- und Entwicklungsschritte in Kammermotoren 5) Der Weg zu verbesserter Energieeffizienz mit Pflanzenöl Hochdruckeinspritzung in BHKW Anlagen 6) Zusammenfassung 1

2 1) Einführung Wenn auch die Welt in unseren Breiten auf die direkte Nutzung der Sonnenwärme verzichten kann, so rückt doch der Tag unausweichlich näher, an dem sie aus Brennstoffmangel auf die Leistung anderer Naturkräfte wird zurückgreifen müssen. Wir zweifeln nicht daran, dass sie noch lange von der gewaltigen Wärmekraft der Steinkohle- und Erdölvorkommen profitieren wird. Aber diese Vorkommen werden sich zweifellos erschöpfen. ( Augustin Mouchot 1879 ) 2

3 Rhonegletscher 3

4 Pasterzegletscher 1912 Vernagtfernergletscher

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6 Intergovernmental Panel on Climate Change ( IPCC ): - Gegenüber 1990 steigt die Temperatur um 1,4 bis 5,8 C bis Bei Erwärmung über 2 C sind die Folgen des Klimawandels nicht mehr durch Anpassungsmaßnahmen auszugleichen - Bei Erwärmung über 2 C würde das gesamte Eis Grönlands schmelzen - Dies hätte einen langfristigen Anstieg des Meeresspiegels um 7m zur Folge - Monetäre Folgen des Klimawandels in 2100 ca. 10 % der Weltwirtschaftsleistung 6

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8 Klimarahmenkonventionen: -Erdgipfel von Rio 1992: Stabilisierung der Treibhausgaskonzentrationen in der Atmosphäre auf einem Niveau zu erreichen, auf dem eine gefährliche anthropogene Störung des Klimasystems verhindert wird. Ein solches Niveau sollte innerhalb eines Zeitraumes erreicht werden, der ausreicht, damit sich die Ökosysteme auf natürliche Weise den Klimaänderungen anpassen können, die Nahrungsmittelerzeugung nicht bedroht wird und die wirtschaftliche Entwicklung auf nachhaltige Weise fortgeführt werden kann. Klimarahmenkonventionen: - Kyoto Protokoll 1997: - Industriestaaten senken Treibhausgase ( CO 2, CH 4, N 2 O ) im Zeitraum von 2008 bis 2012 um 5 % unter das Niveau von EU 15 reduzieren um 8 % - USA reduzieren um 7 % - Japan und Polen reduzieren um 6 % - Deutschland wird um 21 % reduzieren - Großbritannien wird um 12,5 % reduzieren - Ausstieg aus dem Kyoto-Protokoll der US-Regierung in Ratifizierung im November 2004 durch Russland - Kyoto-Protokoll ist seit Februar 2005 in Kraft Beteiligung von 160 Staaten 8

9 Eckpfeiler der deutschen Klimaschutzstrategie im Koalitionsvertrag - Reduzierung der Treibhausgase gegenüber 1990 um 30 % bis 2020: - Steigerung der Energieeffizienz durch Verbesserung der Energieproduktivität beispielsweise durch KWK - KWK-Vereinbarung sieht vor, durch den Zubau von KWK-Anlagen bis 2010 jährlich mindestens 20 Mio. t CO 2 einzusparen - Ausbau der erneuerbaren Energien - Steigerung des Anteils erneuerbarer Energien in der Stromversorgung bis 2010 auf 12,5 % und bis 2020 auf 20 % 9

10 2) Unverestertes Pflanzenöl als Kraftstoff in BHKW-Systemen Die Molekularstruktur von Pflanzenöl 10

11 Die physikalisch-chemischen Kraftstoffeigenschaften unit diesel rapeseed oil Biodiesel density g/cm 3 0,83 0,900-0,930 0,875-0,900 kinematic viscosity (40 C) mm 2 /s 2-4 < 38 3,5-5 calorific value MJ/kg 42 > 35 > 36 flash point C 60 > 220 > 100 3) Der Aufbau und die Funktionsweise von BHKW-Systemen fuel energy 100% Other losses 7% lubricating oil losses 7% exhaust fume losses 10% Usable electrical energy 36% Usable thermal energy 40% 11

12 coldly pressed rape oil fully refined vegetable Biodiesel oil engine start/stop control system balance tank exhaust fume 5) 1) engine 2) generator 3) exhaust fume heat exchanger 4) plate heat exchanger 5) sound absorber 3) T engine T exhaust fume heat accumulator 1) 4) flowmeter Lab balance T G 2) T L3 L2 L1 N measuring computer heat energy meter 12

13 4) Motorische Modifikations- und Entwicklungsschritte in Kammermotoren Zylinderdruckindizierung in Abhängigkeit des Kurbelwellenwinkels Wirbelkammer Einspritzdüse Drucksensor mit Glühkerzenadapter Hauptbrennraum 13

14 Zündpunkt Zündpunkt Druck in bar Kurbelwellenwinkel 20 kw Pöl, 13,4 vot 20 kw Pöl, 8,8 vot unbefeuert 14

15 Wirkungsgrad / Stromkennzahl in % Spezifischer Verbrauch in g / kwh el Elektrische Leistung in kw elektrischer Wirkungsgrad thermischer Wirkungsgrad Stromkennzahl Gesamtwirkungsgrad spezifischer Verbrauch 15

16 Pflanzenöl-BHKW-Systeme mit Kammermotoren Begrenztes Leistungsspektrum bis 35 kw elektrischer Leistung hoher spezifischer Kraftstoffverbrauch / niedrige Stromkennzahlen veraltete Motorentechnik zuverlässiger Betrieb mit Pflanzenölen möglich langjährige Praxiserfahrung schlechte Anlagenwirtschaftlichkeit, da niedrige el. Wirkungsgrade 5) Der Weg zu verbesserter Energieeffizienz mit Pflanzenöl- Hochdruckeinspritzung in BHKW - Anlagen fundierte wissenschaftliche Vorarbeiten zur Einspritzung und Verdampfung Funktionsfähiges Labormuster mit 200 kw el. und 200 kw therm. Pumpe-Düse Hochdruckeinspritzung mit ca. 42 % el. Wirkungsgrad im Rapsölbetrieb systematische Optimierung der Verbrennung über Steuergerät weiterer Forschungsbedarf ( andere Pflanzenöle, Anlagenwartung, Emissionsoptimierung etc. ) 16

17 Pflanzenöl- BHKW mit 200 kw el und 200 kw th Pflanzenöltank Liter 17

18 Tankheizung zur Nutzung von Pflanzenölen Düsenverkokungen bei Direkteinspritzung Schmierölpolymerisation durch Pflanzenöleintrag 18

19 6) Der Weg zu verbesserter Energieeffizienz in einer Liegenschaft ( Projektierungsbeispiel ) Phase 1: Ermittlung des Energiebedarfs im Ist-Zustand Heizwärmebedarf Wärmebedarf Brauchwassererwärmung Elektrischer Energiebedarf / Leistungsbedarf Der Lageplan mit allen Gebäuden 19

20 Wärmebedarf Warmwasser Wärmebedarf Vorbehandlungsbecken Lackiererei Heizwärmebedarf Wärmebedarf in [kwh] Januar Februar März April Mai Juni Juli August September Oktober November Dezember Monate Die geordnete Jahresdauerlinie des thermischen Energiebedarfs therm. Leistungsbedarf in [kw] mittlere Heizleistung in kw Jahresstunden in [h] 20

21 Elektrischer Lastgang von Freitag bis Montag Freitag Leistungsverlauf gesamtes Werk Haselmühl Wochenende kw Samstag Montag 750 Sonntag :00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 2:45 5:45 8:45 11:45 14:45 17:45 20:45 23:45 2:30 5:30 8:30 11:30 14:30 17:30 20:30 23:30 2:15 5:15 Phase 2: Energieeinsparung durch Schwachstellenbehebung Optimale Heizungsregelung energiesparende Beleuchtungssysteme Wärmedämmmaßnahmen kontrollierte Be- und Entlüftungssysteme Spitzenlastsenkung durch Eigenstromnutzung / Lastmangement 21

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23 Phase 3: Dimensionierung effizienter Wärmeversorgungssysteme Entwicklung einer Referenzvariante (i.a. konventionell Öl / Gas) Entwicklung technisch sinnvoller Alternativvarianten nach Vorgabe Kraft-Wärme-Kopplung (BHKW) mit Heizöl oder Gas Kraft-Wärme-Kopplung (BHKW) mit heimischen Brennstoffen Biomassefeuerung (Hackschnitzel, Holzpellets ) Solarthermie innovative Technologien (Stirling, Holzvergasung) Heizzentrale Ringleitung Verwaltung 23

24 Variante 1.0: Heizölfeuerung (Standardvariante) 4500 therm. Leistungsbedarf in [kw] Heizölkessel kw Heizölkessel kw Heizölkessel kw Heizölkessel kw Jahresstunden in [h] Variante 1.1: Rapsöl- BHKW, Hackgutkessel und Heizöl Spitzenlastkessel ( Forschungsbetrieb ) therm. Leistungsbedarf in [kw] Heizölkessel kw Heizölkessel kw Hackschnitzelkessel kw Hackschnitzelkessel kw Pflanzenöl- BHKW 300 kw th Jahresstunden in [h] 24

25 Variante 1.2: Hackgutkessel und Heizöl Spitzenlastkessel therm. Leistungsbedarf in [kw] Heizölkessel 1500 kw Heizölkessel 1500 kw Hackschnitzelkessel 300 kw Hackschnitzelkessel 300 kw Hackschnitzelkessel 300 kw Jahresstunden in [h] Variante 1.3: BHKW mit Vollraffinaten, Hackgutkessel und Heizöl Spitzenlastkessel ( Forschungsbetrieb ) therm. Leistungsbedarf in [kw] Heizölkessel kw Heizölkessel kw Hackschnitzelkessel kw Hackschnitzelkessel kw Pflanzenöl- BHKW 300 kw th Jahresstunden in [h] 25

26 Investitionskosten Phase 4: Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Heizzentrale Heizungsringleitung (Vor- und Rücklaufringleitung inklusive Einbauten) Lüftungszentralen mit Wärmerückgewinnung Dezentrale Anlagentechnik (Deckenstrahlplatten, Verrohrung und Regelung in den einzelnen Blöcken, Übergabestationen) DDC- Anlage Gebäudeleittechnik (GLT-Anlage) Spitzenlastmanagement Kabel- und Leitungsanlagen TGA-Fachplanung Betriebskosten Verbrauchsgebundene Kosten Sonstige Kosten (Verwaltung, Versicherung) Keine Berücksichtigung von Förderungen oder zinsgünstigen Darlehen Die jährlichen Kosten jährliche Kosten [ /a] Variante 1.0 Variante 1.1 Variante 1.2 Variante 1.3 Summe Kapitalgebundener Kosten Summe betriebsgebundener Kosten Summe verbrauchsgebundener Kosten Summe sonstiger Kosten V 1. 0 V 1. 1 V 1. 2 V 1. 3 GL Heizölkessel PÖL- BHKW Hackgutkessel PÖL- BHKW ML Heizölkessel 2 Hackgutkessel 2 Hackgutkessel 2 Hackgutkessel SL 2 Heizölkessel 2 Heizölkessel 2 Heizölkessel 2 Heizölkessel 26

27 Die jährlichen Einnahmen jährliche Einnahmen [ /a] Variante 1.0 Variante 1.1 Variante 1.2 Variante 1.3 V 1. 0 V 1. 1 V 1. 2 V 1. 3 GL Heizölkessel PÖL- BHKW Hackgutkessel PÖL- BHKW ML Heizölkessel 2 Hackgutkessel 2 Hackgutkessel 2 Hackgutkessel SL 2 Heizölkessel 2 Heizölkessel 2 Heizölkessel 2 Heizölkessel Die spezifischen Wärmegestehungskosten 12,0 Wärmegestehungskosten [Cent/kWh] 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 11,08 7,63 8,38 6,45 0,0 Variante 1.0 Variante 1.1 Variante 1.2 Variante 1.3 V 1. 0 V 1. 1 V 1. 2 V 1. 3 GL Heizölkessel PÖL- BHKW Hackgutkessel PÖL- BHKW ML Heizölkessel 2 Hackgutkessel 2 Hackgutkessel 2 Hackgutkessel SL 2 Heizölkessel 2 Heizölkessel 2 Heizölkessel 2 Heizölkessel 27

28 Die dynamische Amortisation nach der Kapitalwertmethode Kapitalwert in [ ] Jahr Var 1.0 Var 1.1 Var 1.2 Var 1.3 V 1. 0 V 1. 1 V 1. 2 V 1. 3 GL Heizölkessel PÖL- BHKW Hackgutkessel PÖL- BHKW ML Heizölkessel 2 Hackgutkessel 2 Hackgutkessel 2 Hackgutkessel SL 2 Heizölkessel 2 Heizölkessel 2 Heizölkessel 2 Heizölkessel Phase 5: Sensitivitätsanalyse Variation verschiedener Parameter, z.b. Brennstoffkosten Darstellung der Auswirkungen auf die spez. Wärmekosten 28

29 Die Sensitivitätsanalyse der Variante 1.0 ( Standardvariante ) Wärmegestehungskosten [cent/kwh] 15,0 14,0 13,0 12,0 11,0 10,0 9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0-55% -45% -35% -25% -15% -5% 5% 15% 25% 35% 45% 55% Einflussgrößenänderung in % Brennstoffkosten Kapitalkosten V 1.0 V 1.1 V 1.2 V 1.3 GL Heizölkessel PÖL- B HKW Hackgutkessel PÖL- BHKW ML Heizölkessel 2 Hackgutkessel 2 Hackgutkessel 2 Hackgutkessel SL 2 Heizölkessel 2 Heizölkessel 2 Heizölkessel 2 Heizölkessel Die Sensitivitätsanalyse der Variante 1.3 Wärmegestehungskosten [cent/kwh] 12,0 11,0 10,0 9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0-55% -45% -35% -25% -15% -5% 5% 15% 25% 35% 45% 55% Einflussgrößenänderung in % Brennstoffkosten Kapitalkosten V 1.0 V 1.1 V 1.2 V 1.3 GL Heizölkessel PÖL- BHKW Hackgutkessel PÖL- BHKW ML Heizölkessel 2 Hackgutkessel 2 Hackgutkessel 2 Hackgutkessel SL 2 Heizölkessel 2 Heizölkessel 2 Heizölkessel 2 Heizölkessel 29

30 Phase 6: Die CO 2 -Bilanz als ökologisches Kriterium CO 2 -Emissionen aus der Bereitstellung des Brennstoffs CO 2 -Emissionen aus der Verbrennung CO 2 -Emissionen aus dem Bezug von Hilfsenergie (Strom) CO 2 -Gutschriften bei KWK-Anlagen Die CO2-Bilanz CO2 [t/a] Variante 1.0 Variante 1.1 Variante 1.2 Variante 1.3 V 1. 0 V 1. 1 V 1. 2 V 1. 3 GL Heizölkessel PÖL- BHKW Hackgutkessel PÖL- BHKW ML Heizölkessel 2 Hackgutkessel 2 Hackgutkessel 2 Hackgutkessel SL 2 Heizölkessel 2 Heizölkessel 2 Heizölkessel 2 Heizölkessel 30

31 Phase 7: Entscheidungsfindung und Systemempfehlung Variante CO Investitionskosten Jahresgesamtkosten Wärmegestehungskosten 2- Emissionen in [ ] in [ /a] in [Cent/kWh] in [t/a] Variante , Variante , Variante , Variante , V 1. 0 V 1. 1 V 1. 2 V 1. 3 GL Heizölkessel PÖL- BHKW Hackgutkessel PÖL- BHKW ML Heizölkessel 2 Hackgutkessel 2 Hackgutkessel 2 Hackgutkessel SL 2 Heizölkessel 2 Heizölkessel 2 Heizölkessel 2 Heizölkessel 6) Zusammenfassung - Energieeffizienz und Ausbau Erneuerbarer Energien als Teil der deutschen Klimaschutzstrategie - Pflanzenöl als Motorkraftstoff verbrennt CO 2 neutral und schwefelfrei - Energiewandlung in BHKW-Systemen ist hocheffektiv und kann wichtigen Beitrag in der Gebäudeenergieversorgung spielen - BHKW-Systeme mit Kammermotoren im kleinen Leistungsbereich - Zukünftig Hochdruckeinspritzung im größeren Leistungsbereich 200 bis 300 kw el - BHKW-Systeme mit Pumpe Düse Einspritzung können Beitrag zur Kosteneinsparung und CO 2 -Reduzierung lieferen - Forschungsbedarf 31